混凝前處理對豬場沼液MAP回收時抗生素殘留的影響

張劍橋,樓耀尹,葉志隆*,陳少華,魏群山 (.中國科學院城市環境研究所,中國科學院城市污染物轉化重點實驗室,福建 廈門 602；2.中國科學院大學,北京 00049；.東華大學環境科學與工程學院,上海 20620)

畜禽養殖廢水氮磷含量高,排放量大,是我國農村面源污染和水體富營養化的主要來源之一[1].采用技術手段從畜禽養殖廢水中回收氮磷是磷資源循環利用的一種重要方式.目前,磷回收的主流工藝有荷蘭的 BCFS、ANPHOS和 Phospaq工藝,德國的NuReSys工藝和日本的 Phosnix工藝,磷回收率在70%～90%,回收產物為磷酸銨鎂(MgNH4PO4·6H2O,MAP,俗稱鳥糞石)或者磷酸鈣[2].MAP回收是普遍采用的磷技術之一,不僅可以達到污水除磷的目的,同時得到的 MAP是優質的緩釋肥料,可直接應用于作物、園林[3].

畜禽養殖過程中往往投加四環素類(Tetracyclines, TCs)、喹諾酮類(Fluoroquinolones,FQs)等獸用抗生素,用于促進動物生長和預防疾病[4].已開展的豬場抗生素調研發現,包括北京、上海等地的豬場出水中TCs的殘余量在3.5～387.1μg/L[5].研究表明,畜禽廢水排放的獸用抗生素,是環境中抗生素污染的主要來源,并在土壤和水體中傳播、轉移和富集,傳播抗性基因,對生態環境和人類健康造成嚴重威脅[6].Hu等[7]對中國天津蔬菜種植基地的土壤進行抗生素殘留分析得出結論:土霉素和金霉素濃度分別為124～2683μg/kg 和 33.1～1079μg/kg.Tolls等提出采用 Kd值表征抗生素在土壤環境中的吸附能力,四環素類和喹諾酮類抗生素的 Kd值較大,說明其吸附能力較強,易與水中的溶解性有機物相絡合,因此會在土壤中蓄積;磺胺類和大環內酯類抗生素的 Kd值較小,說明其吸附能力較弱,不易與水中的懸浮性固體結合,更容易進入地下水和地表水中[7-8].作者研究團隊前期研究發現,畜禽廢水 MAP回收時沼液中殘留的抗生素會由水相轉移至回收的 MAP中,對回收產物的資源化利用有潛在的生態風險,在后續 MAP用于農作物施肥時會引起土壤環境中抗生素增加,抗性基因豐度增加[9].為了阻斷沼液MAP反應時抗生素向回收固體的轉移,本研究擬采用混凝前處理方法,首先通過對比試驗研究,選取適合去除抗生素而磷去除較少的混凝劑;再通過考察pH值和混凝劑投加量影響,優化去除畜禽廢水中的抗生素含量,實現畜禽廢水 MAP回收時抗生素殘留的有效控制.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗選用的混凝劑為陽離子型聚丙烯酰胺(Cational polyacrylamide,CPAM) 分 子 量 3000～6000kDa,非離子型聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)分子量4000～8000kDa,購自阿拉丁試劑公司(Aladdin,上海);聚合硫酸鐵(Polymeric Ferric Sulfate,PFS)和殼聚糖(Chitosan,CTS),殼聚糖聚合度為 6～7,購自國藥集團.養豬沼液具體水質參數見表1.

表1 實驗用豬場沼液水質參數Table 1 Characteristics of swine wastewater

實驗采用的四環素類抗生素包括土霉素(Oxytetracycline,OTC)、強力霉素(Doxycycline,DXC)、金霉素(Chlortetracycline,CTC);喹諾酮類抗生素包括環丙沙星(Ciprofloxacin,CIP)、氧氟沙星(Ofloxacin,OFLO)、恩諾沙星(Enrofloxacin,ENX),購自德國Dr.Ehrenstorfer公司.在實驗中測定TCs和FQs抗生素時選用內標物D5-諾氟沙星(純度＞99.4%,Sigma)、和D6-四環素(純度80.0%,Sigma).這些內標物用來質控FQs和TCs在檢測過程中的回收率,減少抗生素測試時的實驗誤差.樣品中抗生素前處理時采用的Oasis HLB固相萃取柱(200mg,6mL)購自Waters公司.

1.2 實驗過程

1.2.1 對照實驗 取養豬沼液直接進行 MAP反應,pH值控制為9.2～9.5,轉速400r/min,攪拌45min,靜置45min.反應結束后,6000r/min離心10min,上清液在5℃的條件下保存.所得MAP沉淀物冷凍干燥24h,在-18℃條件下保存.

為了對比分析純MAP固體對抗生素的吸附性能,用 NaH2PO4和 NH4Cl配置含 PO43-、NH4+的模擬廢水,再分別添加濃度100 μg/L的TCs、FQs抗生素濃液,然后按照P:Mg物質的量比1:1.2添加Mg2+,控制pH保持9.5進行MAP反應,反應結束后得到上清液和MAP固體.

1.2.2 混凝實驗與MAP回收 將CPAM、PAM和CTS分別配成1.0g/L的儲備溶液,其中CTS配制時需添加 1%的醋酸促進溶解.首先比較不同混凝劑對抗生素的去除效果,對于有機混凝劑的實驗,向實際廢水中分別加入5mg/L的CPAM、PAM、CTS,實驗過程pH控制在7.5,轉速200rpm攪拌5min,100r/min攪拌10min,靜置45min;實驗結束后,6000r/min高速離心,得到沉淀的有機物.對于PFS無機混凝反應,首先往沼液中投加25mg/L的PFS ,pH控制在7.5進行混凝反應,200rpm攪拌5min,100r/min攪拌10min,靜置45min;反應結束后 6000r/min高速離心,得到上清液.將混凝得到的上清液進行MAP回收反應,加入5mmol/L的Mg2+溶液,調pH值為9.5時進行MAP結晶反應,;反應結束后,6000r/min離心 10min,沉淀物冷凍干燥24h,-18℃下保存.在分析不同混凝劑實驗結果的基礎上,選取去除抗生素效果好且能夠保留盡量多磷酸鹽于沼液中的混凝劑,進行后續的 pH值和混凝劑投加量影響研究.對于pH值影響實驗,分別調節廢水pH值為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5和8.0進行混凝前處理,之后在pH值9.5時進行MAP結晶反應.在獲取優化的pH值基礎上,開展混凝劑投加量影響實驗,混凝劑投加量分別設為5.0、7.5、10.0、12.5、15.0和17.5mg/L,混凝操作和MAP反應條件與上述實驗相同.

1.3 分析方法

1.3.1 水質分析 pH值測定選用PHS-3C酸度計,沼液中NH4+-N和PO43--P測定分別采用納氏試劑分光光度法和鉬銻抗分光光度法.總磷測定時樣品先采用過硫酸鉀消解,然后鉬銻抗分光光度法分析.TOC分析使用總有機碳分析儀(TOCVeph,Shimadzu), SO42-、NO3-和 Cl-等無機離子均采用離子色譜儀測定.

1.3.2 抗生素測定 水樣前處理步驟為:將水樣先過 0.45μm 玻璃纖維濾膜,再加入一定量的內標物和外標物,并用1+1HCL調整pH2.8～3.2進行固相萃取;固相萃取采用Oasia HLB柱(200mg,6mL)進行抗生素富集,萃取結束后分別用10%和20%的甲醇水溶液和超純水洗脫、定容,再轉移至色譜瓶中,-18℃下避光保存待測.固體 MAP樣品測試步驟如下:MAP首先35℃風干,研磨后過100目篩;再分別稱取一定量固體樣品于玻璃離心管,加入 30mL磷酸二氫鈉提取液超聲混勻45min,7000rpm離心20min,重復3次;所得上清液再進行固相萃取,步驟與水樣萃取步驟一致.用高效液相串聯三重四級桿線性離子阱質譜儀(HPLC-MS/MS,ABI 3200Q TRAP)進行抗生素測定,測試條件:色譜柱為 Phenomennex C18柱(100mm,2.6μm),柱溫 40℃,進樣量為 20μL;梯度洗脫,流動相 A為0.5%甲酸,B為甲醇;流速0.8mL/min[10].

2 結果與討論

2.1 不同混凝劑

不同混凝劑處理養豬沼液及 MAP反應后PO43--P和TOC的濃度變化如圖1所示.經過混凝前處理后,TOC和PO43--P均有下降.CTS、CPAM、PAM、PFS對于TOC的去除率分別為7.08 %、28.10 %、23.01%和 39.94%;PAM、CPAM和 CTS對 PO43--P的去除率分別為23.01 %,24.36 %和20.84 %.PFS對PO43--P去除率為73.41%,沼液中磷酸鹽損失率較高,因此不適用于廢水混凝前處理.

圖1 不同混凝劑處理及MAP反應時廢水中PO43--P和TOC的變化Fig.1 Variation of PO43--P and TOC concentrations in the coagulation and MAP reocvery processes by dosing different coagulants A: CPAM; B: CTS; C: PAM; D: PFS

如表2所示,模擬廢水回收的MAP中各抗生素含量低于 8μg/kg,固體中的抗生素僅占原水中抗生素總量的 1.88%～7.58%.然而,實際廢水 MAP反應得到的固體中抗生素含量顯著增加,DXC、CTC、OTC、OFL、CIP 和 ENX 濃度分別為(34.41±2.6),(28.16±1.8),(5.74±0.57),(27.44±1.7),(10.57±1.0),(15.13±1.5)mg/kg,占原水中抗生素總量比例分別為58.89%、78.63%、26.09%、87.67%、56.19%和73.73%.同時,區別于模擬廢水,實際廢水回收的MAP固體中TOC含量為136.22mg/g.實際廢水中的 SS和溶解性有機物(dissolved organic matters, DOM)是抗生素由水相轉移至固體MAP沉淀的重要載體,在MAP反應時由于沼液的pH值、離子強度發生強烈變化,SS和DOM 會發生凝聚沉降,部分的抗生素也會隨之進入到 MAP沉淀中[11].由此可見,采用混凝預處理去除沼液中的有機物是阻斷抗生素轉移的重要手段之一.

表 2顯示了不同混凝劑處理后抗生素在沼液和固體中濃度的變化情況.經混凝前處理后得到的MAP固體中,抗生素含量下降顯著.其中,CPAM 對TCs和FQs的去除率分別為55.2%～76.2%和69.2%～90.0%,CTS為33.0%～82.6%和39.6%～90.0%,PAM為26.9%～61.3%和67.9%～85.9%,PFS為66.4%～100%和90.0%～100%.在廢水處理中,絮凝劑通過兩種機制實現懸浮顆粒物和溶解性膠體的去除:一種是吸附架橋,即長鏈分子結構的橋接[12];二是電中和,通過吸附帶負電荷的有機粒子,從而電荷中和達到破壞SS、DOM穩定和混凝的目的[13].PFS雖然可去除TCs,但廢水中PO43--P也會被去除,去除率為70.4%.與CTS和PAM相比,CPAM 對抗生素去除效果更好,尤其對于 TCs,并且對磷酸鹽的損失影響較小,因此選擇CPAM作為進一步實驗的絮凝劑.

表2 不同混凝劑處理時沼液中抗生素及后續MAP中抗生素的變化情況Table 2 Variation of antibiotics contents in the aqueous phase and recovered solids coagulation effluent and MAP sediment

2.2 pH值影響

圖2為不同pH值時混凝反應上清液和MAP反應后TOC與PO43--P的變化情況.隨著pH值增加,廢水中TOC濃度下降明顯,回收MAP固體中有機物含量增加.隨著pH值從5.5上升到8.0,PO43--P濃度從96.8±4.0mg/L 減少到 76.7±2.0mg/L,有部分 PO43--P損失.MAP反應后,上清液的 PO43--P濃度是 0.0 -2.0mg/L,說明MAP反應充分進行.

圖2 不同pH值時混凝反應后廢水中TOC和PO43--P濃度變化的影響Fig.2 Variation of TOC and PO43--P concentration at different pH values

圖3 不同pH條件下混凝出水DOM的FRI分布Fig.3 FRI of DOM in the coagulation effluent at different pH values. Region I, aromatic protein I; Region II, aromatic protein II; Region III, fulvic acid-like; Region IV,soluble microbial by-product-like; Region V,humic acid-like

表3 積分熒光區域[14]Table 3 Integral fluorescence region[14]

根據三維熒光光譜(3D-EEM)結合熒光區域積分法(FRI),由圖 3FRI分布中可以看到,5類有機物的總量均有降低,表明混凝過程中CPAM對各類有機物具有去除效果.當pH值由酸性升高至堿性時,各有機物組分濃度逐步降低,這是由于此時各組分有機物的官能團去質子化[15],電荷電位接近等電點[16-17],促進了混凝去除的效果.因此pH值升高,混凝去除的有機物量增加.

圖4為不同pH值條件下混凝上清液中抗生素含量變化情況.上清液中抗生素濃度隨著 pH值的增加濃度下降.當pH 8.0時上清液中剩余抗生素到達最小值,分別為 CTC 50.61μg/L、OTC 60.85μg/L、DXC 47.98μg/L、OFL 64.34μg/L、ENX 45.88μg/L 和 CIP 60.22μg/L,對應 CTC、OTC 和 DXC 去除率分別為49.4%、36.1%和52.0%;而OFL、CIP和ENX去除率分別為35.6%、44.1%和9.8%.進一步MAP反應后得到的固體中抗生素含量如圖5所示.pH值5.5時MAP固體中抗生素含量最高,其中CTC 94.25mg/kg、OTC 88.64mg/kg、DXC 75.33mg/kg、OFL 94.88mg/kg、ENX 82.51mg/kg、CIP 103.51mg/kg;pH 值 8.0 時,抗生素含量最低,其中 CTC 76.35mg/kg、OTC74.53mg/kg、DXC 71.35mg/kg、OFL 71.63mg/kg、ENX 70.47mg/kg和CIP 75.0mg/kg).當pH值從5.5增加到8.0時,抗生素在MAP固體中含量逐漸降低.

圖4 不同pH值時混凝反應后上清液中抗生素含量Fig.4 Antibiotic concentrations in the supernatant after coagulation at different pH values

如圖3所示,養殖沼液中的有機物存在腐殖酸、富里酸、溶解性微生物代謝產物和芳香蛋白類物質等組分.研究表明抗生素會與DOM中的羰基、羧基、醛基等官能團通過靜電吸附、離子交換、氫鍵、π鍵共軛等作用結合在一起[18-19].混凝可去除沼液中的懸浮性和溶解性有機物[20],進而去除抗生素.在混凝過程中,廢水的pH值是影響混凝效果的一個重要因素,它對膠體表面的帶電性和混凝劑的性能有很大的影響[21].優化pH值,可以充分發揮混凝劑的效果,實現良好的有機物去除效果.如表4所示,當pH7.0～8.0時,沼液經混凝反應后其Zeta電位值相比較原水及pH=5.5時有所降低并維持在15.0±1.0區間,說明有機物的電勢電位接近等電點,此時帶電性低,有助于促進混凝的效果,有利于絮體的形成[22],大大提高了沼液中有機物的去除率,相應回收的MAP中抗生素濃度較低.

圖5 不同pH值時混凝上清液MAP回收固體中抗生素含量Fig.5 Antibiotic contents in MAP solids recovered from the wastewater after coagulation at different pH values

表4 絮凝反應后Zeta電位變化Table 4 Zeta potential after coagulation at varies of pH

2.3 混凝劑投加量影響

圖6 不同混凝劑投加量對廢水中TOC和PO43--P變化的影響Fig.6 Variation of TOC removal rate and PO43--P concentration after coagulation at different coagulant levels

圖6為溶液中TOC和PO43--P隨混凝劑投加量增加的變化情況.CPAM 投加量增加,上清液中 TOC和PO43--P濃度下降.圖8顯示混凝劑投加量增加,上清液中TCs和FQs濃度逐漸降低;當CPAM投加量為17.5mg/L時抗生素去除率達到最大,分別為 CTC 45.46%、OTC 42.48%、DXC 50.49%、OFL 42.93%、CIP47.57%、ENX 66.25%.表4為廢水中TOC去除量與抗生素去除量的回歸分析,可以看出兩者之間存在相關性,這是由于 TCs、FQs易與沼液中的有機物結合[23-25],而增加混凝劑的含量,有利于提高有機物的去除率,因此水相中的抗生素去除量隨之增加(圖7).

圖7 不同混凝劑投加量對混凝后上清液中抗生素含量的影響Fig.7 Antibiotic concentrations in supernatant after coagulation at different dosage levels

圖8為不同CPAM投加量時回收MAP固體中抗生素的含量.在 CPAM 濃度為 5.0～10.0mg/L時,投加量增加對固體中抗生素含量的降低作用不顯著;然而,當CPAM投加量進一步增加時,固體中抗生素含量有明顯降低,但TOC的去除率在CPAM 投加量增加后有所降低,說明過多的CPAM并不利于沼液TOC的去除.在CPAM從10.0mg/L增加到17.5mg/L時,抗生素含量不斷下降,在 CPAM 投加量為 17.5mg/L時,MAP中抗生素含量達到最低,分別為 CTC 58.77mg/kg、OTC 69.86mg/kg、DXC 50.93mg/kg、OFL 34.41mg/kg、CIP 57.56mg/kg、ENX 85.02mg/kg.這一結果與圖 7混凝上清液中抗生素濃度變化趨勢不對應,這是由于CPAM投加量在5.0～10.0mg/L變化時對沼液中有機物去除量相差不大(圖 6),因此 MAP回收時隨有機物轉移到固體中的抗生素含量差別不顯著.類似的實驗現象在其他研究中亦有報道[26-27].CPAM含量增加到17.5mg/L,增加了溶液中的正離子含量,使與帶有負電荷的有機物更多發生電中和作用從而形成更多的絮體提高了對抗生素和與之關聯的有機物去除率,此時抗生素含量達到最低[28].因此,為了降低沼液回收的 MAP固體中抗生素含量,在保持足夠大的溶液中磷酸鹽濃度的前提下應加大混凝劑的投加量.

表5 TOC去除量與抗生素去除量的回歸分析Table 5 Linear regression on antibiotics removal versus TOC removal in coagulation process

圖8 不同混凝劑投加量對MAP固體中抗生素含量的影響Fig.8 Antibiotic contents in MAP solids at different coagulatants dosage levels

3 結論

3.1 混凝劑選擇時 CPAM 效果最好,TCs去除率為22.8%～44.8%,FQs去除率32.2%～70.3%.回收MAP中抗生素濃度為 TCs 8.6mg/kg～19.6mg/kg,FQs 0.88～12.33mg/kg.

3.2 pH值對CPAM混凝去除抗生素有明顯影響,堿性條件下時CPAM對抗生素的去除效果要比酸性條件更好.

3.3 CPAM 投加量由 5.0mg/L提高到 10.0mg/L,對MAP中抗生素含量影響不大;進一步增加混凝劑投加量促進 MAP中抗生素的去除,但投加量過大會顯著降低廢水中PO43--P濃度.因此,控制沼液MAP回收固體中抗生素含量,需對混凝的 pH值和混凝劑投加量進行優化控制.